CCD kamerya jejich použití v astronomii

Lukáš Král

Kde se vzalo CCD• zkratka Charge Coupled Devices

(nábojově vázané prvky)• polovodičová matice přeměňující světlo

na elektrický náboj• vznik v 70. letech 20. stol., původně

jako paměťová zařízení• vysoká účinnost (až 90%) => dnešní 15

cm dalekohled s CCD kamerou se vyrovná 1 m dalekohledu s fotografickou deskou ze 60. let

Princip CCD

• dopad fotonu na křemíkovou destičku vyvolá uvolnění elektronu

• elektrony drženy vnějším elektr. polem v místě svého původu (v daném pixelu)

• po skončení se změří počet elektronů v každém pixelu – úměrný intenzitě světla

• přenos dat do počítače –> obrázek

Astronomické CCD kamery

• kvalitnější CCD čipy než v digitálních fotoaparátech, velmi malý tepelný šum

• firma SBIG – průkopník CCD kamer pro astroamatéry, u nás nejrozšířenější, kamery ST-4 až ST-10

• Meade (kamery Pictor) – levnější alternativa, méně kvalitní software

• Apogee, Audine, webkamery apod.

Co je uvnitř?• samotný CCD čip (ST-7: 6,9 x 4,6 mm, 765

x 510 pixelů o velikosti 9 mikrometrů)• elektronika pro ovládání čipu, digitalizaci

obrazu a komunikaci s počítačem• mechanická závěrka – ne u všech kamer!• chlazení – dříve kapalný dusík, dnes hlavně

Peltierův článek (–> velký odběr proudu)• desikant – vysoušecí látka; nebo vakuum• někdy otočné kolo (karusel) s barevnými

filtry

CCD čip

Pořizování astronomických snímků• vychladit před pozorováním (běžně 30 stupňů

pod okolní teplotu; problémy s námrazou)• nastavit správně čas v počítači!!• úzké zorné pole => nutné přesně zcentrovat s

hledáčkem, jinak nic nenajdeme• režim Focus („video“) – nastavení objektu do

středu zorného pole• pořízení zkušebního snímku –> odhad vhodné

expoziční doby• pořízení korekčních snímků (dark, flat)• vlastní snímkování objektu (skládání/barevné

filtry)

Korekční snímky – dark frame• dark frame (temný snímek) – při stejné teplotě

a expozici jako normální snímek, ale se zakrytým objektivem => jen šum

• odečte se v počítači od normálního snímku–> odstranění zejména tzv. horkých pixelů

• pozor na boční světlo

Korekční snímky – flat field• flat field – korekce na různou citlivost

jednotlivých pixelů, vinětaci dalekohledu a nečistoty na čipu

• pořídí se nasnímáním rovnoměrně osvětlené bílé plochy – nejlépe zakrýt objektiv průsvitným papírem a namířit soumrakovou oblohu

• musí být hodně nasycený (omezení šumu), často se průměruje několik flat fieldů

• světlý snímek se flat fieldem vydělí a poté se znovu vynásobí konstantou

• pořídit dobrý flat field je umění, špatný flat field snímek naopak pokazí

Příklad flat fieldu (ostravská SBIG ST-7)

Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava

1) surový světlý snímek

Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava

2) odečten dark frame

Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava

3) upraven jas a kontrast

Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava

4) poděleno flat fieldem

Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava

5) sečteno dohromady 8 snímků

celková dobaexpozice:8 x 3 = 24 minut

Barevné snímky• snímáme přes barevné filtry (RGB) a výsledné

snímky zkombinujeme do jednoho barevného (speciálním programem)

M 27 „Činka“

SBIG ST-7

teleobj. 9 cm

exp. 3x2x3 min

HaP Ostrava

Jas a kontrast• neboli brightness/contrast, range/offset,

low/high threshold apod.• nejedná se o úpravu samotného snímku, ale

pouze o nastavení jeho zobrazení na monitoru• 16-ti bitová kamera rozliší 65536 odstínů šedi

(intenzit světla), kdežto oko jen několik set• => musíme si ze snímku „vytáhnout“ jen tu

oblast intenzit, ve které je to, co nás zajímá

CCD fotometrie• měření jasnosti hvězd (komet, planetek, ...)

CCD kamerou• pořízení série snímků hvězdného pole• zpracování fotometrickým softwarem:1. odečtení darku, podělení flatem2. automatické rozpoznání hvězd3. automatické změření instrumentálních jasností

hvězd (součet intenzity pixelů v urč. oblasti mínus intenzita pozadí, přepočet na magnitudy)

4. spočtení rozdílu proměnná – srovnávačka –> relativní (diferenciální) fotometrie

5. známe přesnou jasnost srovnávačky a korekce daného přístroje –> absolutní fotometrie

Příklad CCD světelné křivkyProjekt Eridanus, HaP J. Palisy Ostrava

1433,38 1433,40 1433,42 1433,44 1433,46 1433,48 1433,50

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-0,2

-0,4

predicted mid-eclipse

23:50 UT21:16 UT

11./12. 9. 1999, Lukáš Král, CCD ST-7 (unfiltered), HaP Ostrava

DI Peg

Dif.

Mag

.

JD - 2450000

Software• CCDOPS – pro kamery SBIG, snímání i základní

zpracování, DOS i Win verze, zdarma na www.sbig.com

• Iris – skvělý a stále se zlepšující program pro pokročilé zpracování snímků, umí i jednoduchou astrometrii a fotometrii, Windows, zdarma na http://www.astrosurf.com/buil/us/iris/iris.htm

• Munipack – automatická fotometrie, Linux/DOS/Windows, zdarma na http://munipack.astronomy.cz

• GIMP – univerzální program pro práci s obrázky (jako Photoshop), zdarma pro všechny platformy

CCD versus klasická fotografie• Přednosti CCD:

– vysoká citlivost –> kratší expozice menším dalekohledem

– přímo digitální snímky –> ihned je vidět výsledek, snadné zpracování na PC, možnost skládání mnoha kratších expozic

– ideální pro fotometrii a astrometrii, automatické snímkování i zpracování

• Nevýhody CCD– vyšší cena kamery (ale zase malé provozní náklady)– malý čip => malé zorné pole– nutnost kvalitní montáže i dalekohledu– nutnost mít u dalekohledu počítač pro ovládání CCD

Stránky o CCD pozorování v Ostravě:

http://ostrava.astronomy.cz/

M 101 „Vírová“SBIG ST-7teleobj. 9 cm5x2 + 6x3 minHaP Ostrava